赵建涛,岳亚飞,张前兵,马春晖
(石河子大学动物科技学院,新疆 石河子 832000)
紫花苜蓿(Medicago sativa)是多年生的豆科苜蓿属植物,因其具有抗寒、抗旱、耐盐碱、适口性好、粗蛋白含量高、干草产量高等特点[1],被广泛种植。研究表明,在土壤肥力低下的地区或不适宜种植粮食作物的地区,种植苜蓿不仅可以避免牧草与粮食竞争土地,而且可以降低土壤中盐碱含量,并提高土壤肥力。新疆北疆地区是我国苜蓿的主要种植区之一,其寒冷天气约占全年的一半,且年平均降雪量约为38.7 mm,年均积雪厚度约为23.8 cm。研究发现,寒冷天气会影响紫花苜蓿的正常生长发育,不仅会引起植物的生理代谢失调,甚至可以导致植株死亡[2]。不同秋眠级苜蓿的抗寒性有所差异,其抗寒性可以由秋眠等级来预测[3]。也有研究表明,苜蓿的秋眠等级并不能代表其冬季的抗寒能力[4]。选择抗寒性强的苜蓿品种对大力发展北疆地区苜蓿产业、解决新疆优质饲草短缺问题具有重要的经济意义。
研究表明,丙二醛(malondialdehyde,MDA)能够较好地指示植株的抗寒性,当植物长时间处于寒冷条件时,会引起植株体内活性氧含量增加、膜脂过氧化程度加剧并且会伴随大量丙二醛的产生[5-7]。通过对不同的苜蓿品种在寒冷条件下的研究发现,不同苜蓿品种中丙二醛的增加量也存在差异,抗寒性强的苜蓿品种丙二醛含量积累较少[8]。研究发现,除丙二醛之外,植物在低温胁迫下还可以通过增加可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate,WSC)和可溶性蛋白(soluble protein,SP)等渗透调节物质含量,来提高抗氧化酶活性[9],进而提高植株的抗寒能力[10-11]。因此,可以通过评价寒冷条件下植株体内丙二醛、可溶性蛋白和可溶性碳水化合物含量的多少来比较不同植物品种之间抗寒性的差异。
冬季积雪是新疆干旱区农业的重要水分补给来源之一[12],研究表明,积雪覆盖可以有效避免农作物冷害与冻害的威胁,且消融雪水可以为多年生植物提供生长所需的水分[13],同时也是农作物越冬的重要保障。研究发现,积雪对土壤的水热状况、苜蓿的抗寒性以及越冬率都有重要影响[14]。尽管前人就覆雪对不同作物的影响等问题已做了长足研究,但是不同覆雪厚度对不同秋眠级的紫花苜蓿品种的越冬率及抗寒指标的影响等问题研究较少,尤其对不同覆雪厚度条件下的不同秋眠级紫花苜蓿品种抗寒指标的动态变化规律鲜见报道。因此,本研究通过测定不同覆雪厚度条件下田间土壤的不同土层温度,苜蓿根颈中可溶性蛋白、可溶性碳水化合物和丙二醛含量以及苜蓿越冬率及干草产量,尝试明确覆雪厚度对各秋眠级紫花苜蓿的抗寒性和越冬率的影响机制,以期为新疆北疆地区强抗寒性的紫花苜蓿品种筛选以及苜蓿越冬问题的解决提供理论依据。
试验于2014-2015 年在新疆石河子大学牧草试验站(44°20′N,88°30′E,海拔450.8 m)进行,此地区属于温带大陆性干旱气候,夏季短而炎热少雨,冬季长而干燥寒冷,年均气温为7.5~8.2 ℃,年日照时数为2721~2818 h,年降水量为180~270 mm,年蒸发量为1000~1500 mm,无霜期为147~191 d。试验地土壤类型为灰漠土,耕作土层(0~20 cm)土壤有机质含量为15.5 g·kg-1,碱解氮含量为16.8 mg·kg-1,速效磷含量为5.4 mg·kg-1,pH 值为6.44。试验当年11 月29 日第1 次降雪,降雪次数约为31,翌年春季3 月18 日冰雪融化返青。
试验采用双因素随机区组设计,试验田的覆雪厚度(因素一)为0、10 及15 cm 共计3 个处理,小区覆雪处理用6 m×8 m 的控雪架(孔径为15 mm 的铁质塑料筛网)控制(每次降雪后人工打扫控雪架,使其保持不同的覆雪厚度)。不覆雪处理:在每次降雪之后及时将积雪清除,尽量保证试验田表层无积雪覆盖。若降雪厚度小于覆雪厚度的10 及15 cm,则人工进行增加覆雪厚度以达到试验处理的要求。供试紫花苜蓿品种(因素二)分别为:秋眠级为1 级的紫花苜蓿驯鹿(AC Caribou)、3 级的康赛(Concept)、5 级的巨能551(Magnum 551)、7 级的赛迪7(Sardi 7)、9 级的WL656HQ(表1)。
表1 供试苜蓿秋眠等级及来源Table 1 Fall dormancy grade and source of alfalfa varieties for test
紫花苜蓿试验田建植于2013 年4 月,种植方式为人工条播,每个小区面积为48 m2(6 m×8 m),每个品种重复3 次,播种量为18.0 kg·hm-2,播种深度为2~3 cm,行间距为25 cm,滴灌带间距为50 cm,灌水方式为滴灌。
在积雪形成(2014 年11 月29 日)和积雪完全消融(2015 年3 月18 日)当天进行土壤温度测定,采用多点式土壤温度记录仪(i500-E3TW,玉环智拓仪器科技有限公司)测定不同土层深度(1~10 cm)和苜蓿冠层处(高于地面5 cm 左右)温度,每个土层放置3 个温度探头[15],每间隔10 min 测定1 次。在各处理埋设2 根时域反射仪(time domain reflectometry,TDR,JK-100F,优科仪器仪表有限公司),测定不同土层深度(0、10 和15 cm)的含水率,每个处理重复10 次,取其平均值。
用考马斯亮蓝G-250 染色法测定可溶性蛋白含量[16];用蒽酮比色法测定可溶性碳水化合物含量[17];用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[15]。
于2014 年的最后一茬苜蓿收割后统计各紫花苜蓿品种(1 m×1 m)在越冬前的植株总数及2015 年苜蓿返青后的存活总株数,每个品种重复3 次,计算苜蓿越冬率(winter survival rate,WSR):
用Excel 2010 对数据进行整理,所有数据均为3 次重复的平均值。用SPSS 21.0 软件对SP、WSC 和MDA 含量进行多因素方差分析,多重比较采用Duncan 法。用SPSS 21.0 软件进行主成分分析,用Excel 2010 软件进行绘图。
从无积雪时期(11 月28 日)到积雪完全消融时期(3 月25 日)土壤冻结深度的变化过程来看(图1),从11 月28日土壤已有冻结,在翌年2 月10 日土壤冻结深度达到最大,为50 cm,直到2 月12 日开始融化,整个冻结时期长达117 d。随后,随着春季温度的回升,土壤出现融化现象。图1 中AC 段为冻结期,CD 段为融化期。在整个试验期内,根据土壤的冻深变化曲线,选取冻结期(12 月17 日)和融化期(2 月27 日)这两天来描述覆雪厚度下紫花苜蓿根冠处和土壤表层(1~10 cm)温度的日变化规律。
图1 土壤冻结程度变化曲线Fig.1 Change curve of soil freezing degree
在冻结期内,选择有代表意义的12 月17 日进行试验,观测不同覆雪处理下紫花苜蓿大田里土壤温度的日变化情况(图2)。试验发现,大气温度对不同覆雪紫花苜蓿冠层处温度影响比较显著。与无积雪覆盖处理相比,有积雪覆盖时其温度的日变化幅度较小。无积雪处理下紫花苜蓿冠层处9:00 时温度最低(-30.5 ℃),随着温度的上升,在当日的14:00 达到了最高温度(-17.1 ℃),其温差在13.4 ℃左右(图2A)。无积雪处理下土壤表层的温度对大气温度的响应较小,其温差约在2.0 ℃。有积雪覆盖下,不同秋眠级紫花苜蓿的冠层处温度均在10:00 时最低,分别为-10.7 和-5.9 ℃,且有积雪比无积雪最低温晚1 h左右出现,在当日18:00 时温度均达到了最高,分别为-7.7 和-5.2 ℃,且有积雪比无积雪最高温晚4 h 左右,温差变化幅度分别为3.0 和0.7 ℃(图2B,C),覆雪厚度的增加可以明显提高土壤表层温度。
图2 冻结期不同覆雪厚度下紫花苜蓿冠层及土壤表层温度的日变化Fig. 2 Diurnal variation of the temperature of alfalfa canopy and soil surface under different snow cover thicknesses during the freezing period
在融化期内,于2 月27 日观测不同覆雪处理下紫花苜蓿田间土壤温度的变化情况(图3)。此时各处理积雪已经完全融化,其温度的日变化规律基本相同。随着温度的回升,紫花苜蓿冠层回温速度和温度大小的排序为:冠层处>土壤表层1 cm>土壤表层10 cm。苜蓿冠层处和土壤表层1 cm 处的温度都在9:00-16:00 突然升高并且达到当日的最大温度,从16:00 后温度开始迅速下降,日温差约为11.6 和10.6 ℃,而土壤表层10 cm 处温度的变化表现出滞后性,在10:00-18:00 时增加,18:00 后温度降低,温度的变化幅度为6.7 ℃(图3)。
图3 融化期不同覆雪厚度下紫花苜蓿冠层及土壤表层温度的日变化Fig. 3 Diurnal changes in the temperature of alfalfa canopy and soil surface under different snow cover thicknesses during the melting period
在土壤冻结时期,不同覆雪厚度下的土壤表层含水率呈大幅度降低趋势(图4),覆雪10 和15 cm 处理下的土壤含水率最小值分别为7.56%和8.50%;无积雪覆盖处理下的土壤含水率变化幅度较为剧烈,其含水率的最小值为4.10%。从第360 天到次年第31 天的时间内不同覆雪厚度下的土壤含水率均保持相对稳定,其中不覆雪为4%~5%,覆雪10 cm 的土壤含水率为7%~8%,覆雪15 cm 的土壤含水率为8%~9%。由此可知,相比于无积雪覆盖,有积雪覆盖在冬季最寒冷时期能显著提高土壤表层含水率,并且随着覆雪厚度的增加,土壤含水率的变化大小顺序为无覆雪<覆雪10 cm<覆雪15 cm。
图4 不同覆雪厚度下表层土壤(0~15 cm)含水率Fig. 4 Moisture content of the surface soil(0-15 cm)with different snow cover thickness
在土壤融化时期,不同覆雪处理下的土壤含水率随着春季温度的回升骤然升高。覆雪10 和15 cm 处理下的土壤含水率存在一定差异,其土壤含水率的最大值分别为20.44%和22.20%;无积雪覆盖处理下土壤含水率变化幅度较小,其含水率的最大值为16.23%。由此可知,相比于无积雪处理,有积雪在春季回暖时期明显提高了土壤表层的平均含水率,并且随着覆雪厚度的增加,土壤含水率的变化幅度逐渐增大。在这段时期内,不同覆雪厚度处理下的土壤平均含水率均出现了较强的波动,并且有着较强的随机性与不可预测性。
在相同覆雪处理下,SP 含量呈先升高后降低的趋势,且5 个品种SP 含量均在同一时间达到最大(12 月31日),其中驯鹿在覆雪10 cm 时最大;康赛和赛迪7 变化差异不大(P>0.05),且都在覆雪15 cm 时含量达到最大值,其中康赛最大(76.94 mg·g-1)(表2);在3 月2 日时不同覆雪处理下SP 含量均出现最小值(巨能551 除外),且赛迪7 最小,为35.19 mg·g-1。在11 月26 日-12 月31 日,不同覆雪厚度下5 个苜蓿品种的SP 含量变化不显著(P>0.05);在3 月2 日时差异显著(P<0.05),并且随着覆雪厚度的增加,各苜蓿品种的SP 含量逐渐增加(赛迪7除外)。
表2 不同覆雪厚度下各秋眠级苜蓿抗寒指标分析Table 2 Analysis of cold resistance index of alfalfa at different fall dormancy levels under different snow cover thickness
WSC 含量从整体上均呈降低的趋势(11 月26 日-3 月2 日),不同覆雪处理下的各苜蓿品种的WSC 含量在11 月26 日均处于最高值,在相同覆雪情况下,5 个苜蓿品种随着时间的推移逐渐降低,其中WL656HQ 在不覆雪时(3 月2 日)WSC 含量最低,为63.1 g·kg-1,康赛在覆雪10 cm 时(11 月26 日)含量最大,为287.8 g·kg-1。在11月26 日,不同紫花苜蓿品种WSC 含量不同,且差异显著(P<0.05);不同覆雪厚度处理对WSC 含量影响不显著(P>0.05)。在15 cm 覆雪处理下,WL656HQ 品种的WSC 含量在11 月26 日处于最大值,并且在整个试验期间变化差异显著(P<0.05),巨能551 在试验期间WSC 含量变化差异不大(P>0.05),其后WSC 含量随时间推移逐渐降低。在3 月2 日,不同覆雪处理下WSC 含量均呈先增加后降低的趋势,且在覆雪10 cm 时达到最大(驯鹿和WL656HQ 除外)。
在整个试验期内的相同覆雪处理下,MDA 含量整体变化均呈先升高后降低的趋势。5 个品种的MDA 含量均在覆雪15 cm 时达到最大(12 月31 日),其中驯鹿、康赛和WL656HQ 在覆雪10 cm 处理下达到最大;巨能551 和赛迪7 在无覆雪处理下达到最大,并且赛迪7 的MDA 含量最大,为236.47 mmol·g-1。覆雪10 和15 cm 时,在11月26 日时5 个品种间的MDA 含量均差异不显著(P>0.05),在12 月31 日5 个苜蓿品种间MDA 含量均差异显著(P<0.05)。在12 月31 日时,不同覆雪处理下巨能551 和赛迪7 的MDA 含量呈先降低后增加的变化规律,并且下降与上升的幅度较大,康赛和WL656HQ 均呈下降趋势,其下降的幅度较大。驯鹿和康赛在11 月26 日时MDA含量出现最低值,巨能551、赛迪7 和WL656HQ 在3 月2 日时出现最低值。
秋眠级9 的紫花苜蓿在无覆雪处理下,未能成功越冬(图5)。在无覆雪处理下,各秋眠级紫花苜蓿越冬率的大小顺序为秋眠级3>秋眠级1>秋眠级5>秋眠级7>秋眠级9,在覆雪10 cm 处理下,各秋眠级紫花苜蓿越冬率的大小顺序为秋眠级3>秋眠级7>秋眠级5>秋眠级9>秋眠级1,在覆雪15 cm 处理下,各秋眠级紫花苜蓿越冬率的大小顺序为秋眠级5>秋眠级3>秋眠级1>秋眠级7>秋眠级9。因此,有积雪处理下,秋眠级3 的紫花苜蓿品种越冬率表现最好,其次是秋眠级5 的苜蓿品种。
图5 不同覆雪厚度下各秋眠级苜蓿越冬率的变化Fig. 5 Changes of winter survival rate of alfalfa of different fall dormancy grades under different snow cover thickness
秋眠级9 的紫花苜蓿品种在无覆雪处理下,因未能成功越冬,致使第二年没有干草产量(图6)。不同覆雪处理条件下不同秋眠级紫花苜蓿的年干草产量为3.2×103~27.5×103kg·hm-2。在不同覆雪条件下,各秋眠级紫花苜蓿的年干草产量均随着覆雪厚度的增加而增加,且均在覆雪15 cm 处理时产量达到最大。覆雪为15 cm 处理时,秋眠级为5 的紫花苜蓿品种干草年产量达到最大,为27.5×103kg·hm-2,秋眠级1 的紫花苜蓿品种产量最小,为18.8×103kg·hm-2。在无覆雪处理下各紫花苜蓿干草产量的顺序为秋眠级5>秋眠级3>秋眠级1>秋眠级7>秋眠级9,在覆雪10 cm 处理下苜蓿干草产量的大小顺序为秋眠级5>秋眠级7>秋眠级9>秋眠级1>秋眠级3,在覆雪15 cm 处理下为秋眠级5>秋眠级7>秋眠级9>秋眠级3>秋眠级1。各秋眠级紫花苜蓿干草产量大小顺序为覆雪15 cm>覆雪10 cm>覆雪0 cm。因此可知,在各覆雪处理下,秋眠级5 的紫花苜蓿品种干草产量均为最高。
图6 不同覆雪处理下各秋眠级紫花苜蓿干草的年产量Fig. 6 Annual hay yield of various fall dormancy grade alfalfa under different snow-covering treatments
对5 个不同秋眠级的紫花苜蓿品种的SP、WSC、MDA、WSR 和干草产量5 个指标进行主成分分析,提取主成分特征值大于1,得到两个主成分,主成分1 为2.073,主 成 分 2 为 1.493。用2 个 主 成 分 变 量PCA1、PCA2代替原来的5 个指标(表3),得出各主成分的特征向量为:
表3 主成分得分系数矩阵Table 3 Principal component score coefficient matrix
通过选取的第1 和第2 主成分的方差贡献率α1(41.458%)、α2(29.852%)作为权数构建综合评价模型:Y=α1×Y1+α2×Y2,即Y=0.41458×Y1+0.29852 ×Y2(表4)。
不同秋眠级紫花苜蓿的综合评分均随着覆雪厚度的增加而增加(表4)。秋眠级为5 的苜蓿品种在覆雪厚度为10 和15 cm 时评分较高,且覆雪厚度为15 cm 时,其综合评分最高。秋眠级为9 的紫花苜蓿品种在3 个覆雪处理下评分均是最低,且在无覆雪下的综合评分最低。
表4 各秋眠级苜蓿在不同覆雪厚度下的主成分、综合得分及排序Table 4 Principal components,comprehensive scores(CS)and rankings of various fall dormancy grade alfalfa under different snow cover thickness
研究发现,植物在低温胁迫下,可以通过增加体内渗透调节物质的含量来缓解低温伤害,且含量越高抗寒能力越强[18]。可溶性蛋白和可溶性碳水化合物是植物重要的渗透调节物质和营养物质,植物在恶劣环境的胁迫下,体内会产生一些新的或更多的逆境蛋白[19]。可溶性蛋白含量可以反映植物代谢情况,能够指导植物在逆境下的相关研究[20]。研究表明,紫花苜蓿在低温胁迫早期就启动相关酶的基因表达,通过增加植株的可溶性蛋白含量来缓解环境引起的伤害[21]。本研究发现,各秋眠级紫花苜蓿随着温度的降低,根颈中可溶性蛋白含量增加,且秋眠等级越低,可溶性蛋白含量变化范围越小,均在12 月底温度最低时可溶性蛋白含量最大,在春季回暖之时,可溶性蛋白含量逐渐减少。植物为了适应胁迫环境,通过累积渗透调节物质来提高细胞保水力,从而对细胞生物膜起到一定的保护作用,进而保证植物细胞的正常生理功能[22]。研究表明,在低温胁迫条件下植物的可溶性碳水化合物含量越高,植物的抗寒能力越强[23]。通过对紫花苜蓿在低温胁迫处理下的研究发现,苜蓿可以通过增加根颈部可溶性碳水化合物等营养物质含量来提高自身的抗寒能力[24]。本研究发现,5 种不同秋眠级的紫花苜蓿可溶性碳水化合物含量均呈先上升后下降的趋势,且苜蓿品种的抗寒能力越强,其可溶性碳水化合物含量的上升幅度较大,与前人研究结果一致[25]。
低温逆境胁迫会引起植物细胞中活性氧的代谢平衡被打破,导致体内积累大量的活性氧,进而对细胞膜系统造成损伤[26-27]。膜脂过氧化作用是指细胞膜上的磷脂双分子层结构被氧化,生成丙二醛等过氧化物,丙二醛含量的增加会对细胞膜造成破坏。研究表明,丙二醛的含量可以衡量植物在逆境胁迫下的情况,当植物受到低温胁迫时,体内丙二醛含量均有不同程度的上升,其高低可以反映细胞膜的过氧化程度,并且可以用来判断细胞膜上双分子层的受害程度[28-29]。本研究发现,随着温度的降低,各秋眠级苜蓿中丙二醛含量迅速增加,这与前人的研究结果一致[30]。在覆雪的情况下,低秋眠级的紫花苜蓿品种的可溶性蛋白和可溶性碳水化合物含量高于无覆雪情况[31],这可能是因为覆雪可以减少地表温度散热,来维持相对稳定的温度条件,降低季节寒冷的变化对紫花苜蓿生理代谢的影响[15]。由此可知,积雪覆盖可以降低紫花苜蓿根颈中丙二醛的含量、提高可溶性碳水化合物及可溶性蛋白含量来减弱低温胁迫对细胞膜造成的过氧化作用。
由于新疆北疆地区冬季常年降雪,紫花苜蓿的越冬问题和干草产量是衡量苜蓿生产性能及为北疆地区引种选育的重要指标。积雪对紫花苜蓿根冠及根颈下土层温度的影响显著,随着覆雪厚度的增加,积雪对其覆盖土层有明显的增温作用,可以显著提高紫花苜蓿的越冬率。通过对不同覆雪条件下各秋眠级的紫花苜蓿品种越冬率分析发现,无覆雪处理下各紫花苜蓿秋眠类型的大小排序为高秋眠级>半秋眠级>非秋眠级,且高秋眠级的紫花苜蓿越冬率显著低于低秋眠级苜蓿。在无积雪处理下,非秋眠级(秋眠级为9)苜蓿的根茎受冻死亡,这可能是因为北疆地区秋季温度较高,使得紫花苜蓿生长旺盛,但在冬季天气降温迅速,苜蓿根部养分不足导致苜蓿植株不能安全越冬[32]。通过对23 个不同秋眠级紫花苜蓿品种和92 个地区综合分析研究,发现紫花苜蓿的秋眠等级与苜蓿的抗寒能力有直接联系,因此可以作为引种及产量预测的主要依据[33]。研究表明,秋眠等级与越冬率之间存在负相关关系,说明秋眠等级低的苜蓿品种抗寒能力相对较强,更适应寒冷的气候条件[34]。本研究发现,覆雪对各秋眠级紫花苜蓿的越冬率均有显著地提高,并且不同秋眠级的紫花苜蓿品种越冬率存在一定差异,这主要是因为覆雪降低了低温对苜蓿根部的冻害,可以维持苜蓿根部温度的相对稳定。
本研究发现,覆雪处理下的各秋眠级紫花苜蓿中秋眠级为5 的品种干草产量显著高于其他4 个秋眠级苜蓿。对比无覆雪时的紫花苜蓿品种的干草产量可以发现,秋眠级为7 和9 的品种越冬率较低,致使苜蓿的干草产量也较低。研究表明,不同秋眠级苜蓿的生产性能有所不同,并且不同秋眠级的苜蓿品种在同一种植区的生产性能也存在明显差异[35]。通过对7 个不同紫花苜蓿品种的干草产量进行相关分析发现,秋眠级高的苜蓿品种干草产量高于秋眠级低的苜蓿品种[36]。本研究表明,覆雪可以保证不同秋眠级的紫花苜蓿成功越冬,并且各秋眠级的紫花苜蓿覆雪的干草产量显著高于不覆雪,巨能551 苜蓿具有越冬率高、干草产量高等突出特点,比较适合在新疆北疆地区种植,此次试验数据能够为新疆北疆地区半秋眠级和非秋眠级紫花苜蓿的推广种植提供理论指导。
冬季的积雪可以提高紫花苜蓿的抗寒性,并且保障各秋眠级的苜蓿达到90%以上的越冬率。与不覆雪处理相比,覆雪可以提高不同秋眠级紫花苜蓿的干草产量,并提高越冬率。综合分析得出,覆雪15 cm 处理下巨能551的综合得分最高。通过综合比较筛选出巨能551 苜蓿品种在覆雪处理下的干草产量、抗寒性指标及越冬率等方面表现最佳。因此,在新疆北疆冬季降雪的区域,半秋眠级的苜蓿品种较适宜在该地区种植。